基于Makeblock的智能生态种植箱设计与开发*

张 闯 ，高 强 ，2*，武英童 ，周 明 ，刘俊炜

（1.沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳建筑大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；3.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866）

随着工业化的发展，传统的人工劳作趋向于智能机械工作，利用物联网技术实现农业设备智能化已逐步发展为国内外的研究焦点[1]，随着现代农业设备的发展，家用型农业生态系统也开始受到人们的重视。

我国家用型生态系统起步较晚，市场尚未开发，随着2060碳中和的提出，预示着增大绿色植物种植将是大势所趋，家用型生态种植也将会脱颖而出。

目前关于家用型生态种植研究较少，且以理论研究为主，如高帅等人[2]对家用阳台农业发展现状进行综述，杨冬连等人[3]结合物联网技术设计了一种智能种植箱系统。周赵凤[4]对阳台立体种植进行方案与软件设计，李军辉[5]基于Esp8266使用机智云平台实现阳台生态的手机控制。

对于温室大棚，现有国内外研究较多，这对家用型智能生态种植箱设计与开发具有较大的参考价值。如李云强[6]基于Arduino连接传感器与显示器，对植物生长环境实时监控，按照预先设定的最佳环境状态，分别控制继电器调节大棚的环境。山东科技大学生林相春[7]以山东智能温室控制系统为研究对象，设计了一套智能控制系统。

本文针对家用型智能生态种植展开研究，设计一种能改自动调节温度、湿度、光照等环境参数的种植箱，使植物在无人监管时，能够在适宜的环境下生长。

1 整体结构设计

本文设计的生态种植箱的NX UG三维模型如图1所示，由透光箱体1、固定顶棚2、滑动顶棚3、种植底板4、第一电机5、第一丝杠6、第一螺纹滑动块7、第二电机8、第二丝杠9、第二螺纹滑动块10、横向导轨11、第三电机12、带传动机构13、纵向导轨14、喷淋装置15、调温风扇16、显示面板17等组成。

种植箱的四周由透光箱体、固定顶棚、滑动顶棚、种植底板组成，透光箱体与种植底板组成开顶的长方体，固定顶棚固定在一侧的透光箱体板上方，滑动顶棚的初始位置在另一侧，固定顶棚与滑动顶棚接触部分有一条导轨，保证滑动顶棚直线运动的方向。滑动顶棚可以实现植物的遮光，固定顶棚与滑动顶棚下的补光灯可以实现植物的补光。箱体外部的显示面板可以实时显示生态系统内的温度、湿度。另一侧箱体内部的调温风扇可以调节种植箱内温度。

第一电机、第一丝杠、第一螺纹滑动块组成的第一丝杠传动机构通过第一螺纹滑动块连接滑动顶棚实现滑动顶棚的横向移动。第二电机、第二丝杠、第二螺纹滑动块组成的第二丝杠传动机构通过第二螺纹滑动块连接第三电机、带传动机构、纵向导轨、喷淋装置实现以上四个部分在纵向导轨上的移动；喷淋装置再通过第三电机、带传动机构组成的带传动机构实现在纵向导轨上的移动。使喷淋装置能够在种植箱内全方位移动，实现水雾无死角全方位覆盖。

图1 生态种植箱三维模型

2 控制系统设计

智能生态种植箱内的环境是一个半封闭的生态系统，影响种植箱内的植物生长的因素主要有温度、湿度、光照、空气成分等，由于各个参数之间具有强耦合性，其复杂的非线性关系难以通过常规的模型表示[8]。对于此类问题可以通过模糊控制、BP神经网络控制等方法实现智能控制[9]。

模糊控制是一种智能的非线性控制方法[10]，常用于时变非线性系统中，可以很好地处理难以用数学表达的复杂对象，典型的模糊控制系统如图2所示。

图2 典型模糊控制系统结构

模糊控制系统由输入端、模糊控制器、执行机构、被控量、输出端和测量装置六个部分组成，通过将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。

BP网络是一种典型的多层前馈型网络[11]，广泛应用于模式识别、故障诊断，该模型结构如图3所示：

图3 三层BP网络结构

BP网络一般由输入层、隐藏层、输出层组成，数据从输入层依次传播至隐藏层、输出层，在输出层将误差反向传播并调整网络的权值参数，之后不断迭代上述步骤直至误差为零，完成网络的训练过程。

根据智能生态种植箱的特点，选取温度、湿度、光照三种因子作为输入量，通过如图4所示的智能控制组合策略进行控制。

图4 智能生态种植箱控制系统

2.1 控制系统组成与运行

如图5所示，智能生态种植箱的控制系统主要由数据采集、数据处理与分析、数据显示、调节执行四个部分组成。

图5 控制系统模块组成

2.1.1数据采集模块

数据采集模块由温度、湿度、光照等传感器组成，用于实时监控环境参数。

2.1.2 数据处理与分析模块

参数分析模块是控制系统的核心部分，采用MagePi Pro开发板加装MegaPi Pro RJ25转接板，用于处理和分析环境参数数据，并发送到数据显示与调节执行模块。

2.1.3 数据显示模块

数据显示模块接收转换后温湿度的数字量，将温度、湿度分别显示在屏幕上。2.1.4调节执行模块

温度调节：通过控制调温风扇转速与滑动顶棚打开来调节温度。

湿度调节：通过喷淋装置令水雾无死角地覆盖整个生态箱进行湿度调节与灌溉。

光照调节：通过控制固定顶棚、滑动顶棚下的补光灯与滑动顶棚的开合来调节光照。

2.2 控制系统硬件组成

2.2.1 主控板MegaPi Pro

MegaPi Pro是一个基于ATmega2560的微主控板，完全兼容Arduino编程。MegaPi Pro拥有强大的驱动能力，输出功率最高可达120W，其主要技术规格如表1所示。

表1 MegaPi Pro主控板技术规格

MegaPi Pro有四个Port插口，一个四路电机扩展接口，一个RJ25转接板接口，一个智能舵机接口。强大的扩展能力使其可以轻松应对教育、比赛、娱乐等各方面的要求。支持多个编程环境，包括基于Scratch的图形化编程软件mBlock和慧编程，还有Arduino以及Python3环境的编程。其端口及接插模块介绍如图6所示。

图6 MegaPi Pro端口及接插模块介绍

MegaPi Pro RJ25转接板工作电压为5V，模块尺寸为66mm×42mm，可以将MegaPi Pro针脚转换为Makeblock的RJ25接口，可以用来连接Makeblock的电子模块。可以引出8个Port口，使用6P6C RJ25接口方便接线。其中5号接口为硬件串口，使用该接口的模块有蓝牙双模模块、WiFi模块，6-12号接口为单双数字、模拟、I2C接口，传感器、开关、显示屏等模块使用该接口。

MegaPi Pro RJ25转接板连接MegaPi Pro主控板如图7所示：

图7 MegaPi Pro主控板与RJ25转接板的连接

MegaPi Pro的ATmega2560的芯片电路原理图如图8所示。

图8 MegaPi Pro ATmega2560的芯片电路原理图

2.2.2 传感器

传感器需要采集智能生态种植箱内的温度、湿度、光照的数据，使用Makeblock创客平台的传感器，通过RJ25线连接到MegaPi Pro RJ25转接板，其中温度、湿度使用温湿度传感器采集，光照通过光线传感器采集。

温湿度传感器如图9所示，温湿度传感器就是一个含有校准数字信号输出的传感器，它的核心元件为DHT11温湿度传感器，包括了一个电阻式湿度传感组件和NTC温度测量组件。校准系数以程序形式存储在OTP存储器中，并在处理检测到的信号时由传感器调用。

图9 温湿度传感器实物图

其主要技术规格如表2所示。

表2 温湿度传感器技术规格

温湿度传感器电路原理图如图10所示。

图10 温湿度传感器电路原理图

光线传感器如图11所示，光线传感器就是基于半导体的光电效应原理所开发的，它的核心元件为光电晶体管，其电阻随光的强度增加而减小，通过和另一电阻串联，输出电阻的分压值，便能将变化的光信号变换为变化的电气信号，并从模拟口输出。

图11 光线传感器实物图

其主要技术规格如表3所示。

表3 光线传感器技术规格

光线传感器电路原理图如图12所示。

图12 光线传感器电路原理图

3 样机模型搭建

对样机按1:1比例进行制作，驱动电机使用9V直流电机，纵向丝杠使用铝型材，滑动块、电机座、喷淋装置等非标件使用3D打印技术进行材料成型，透光箱体通过激光切割亚克力材料制作。样机模型如图13所示。

图13 样机模型

4 结束语

如今随着我国城镇化的推进，大多数人回到家后，只能被封闭在空中高高的“鸟笼”里，只有透过窗户才能看到外面的世界，呼吸到新鲜的空气。针对以上问题，打造便携式无人化阳台花园，让人近距离接触大自然，实现了城市森林花园建筑。

基于Makeblock创客平台的MegaPi Pro主控板设计的智能生态种植箱使用多类传感器收集数据自动调节种植箱内的环境，并将种植箱内的温度、湿度在数码管上实时显示，可以有效地对绿色植物生长的智能化监管。该设计有很大的应用空间，其成本是大部分家庭可以接受的价格，具有一定的推广价值。